CN109990985B - 一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及品字型线列红外探测器MTF测试方法，使用黑体对V字型靶标进行辐照得到红外成像，移动封装在杜瓦中的品字型线列红外探测器完成对焦以及靶标刃边像与品字型红外探测器两列像元的快速定位，再对两列像元输出数据进行排列组合得到ESF，并利用算法对无效响应输出像元进行剔除，使得倾斜角度的计算更加精准从而有效提升线列器件MTF的测试精度，最终计算出品字型线列器件的MTF，并将器件奈奎斯特频率处的MTF数值作为器件最终表征值。本发明可以快速将品字型线列器件与V字靶标像刃边进行准确定位，测试速度快，通过剔除线列无效响应像元提高了测试精度；该方法适用于一字型线列、面阵、非标准品字型线列红外器件MTF测试。

Description

一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法

技术领域：

本发明涉及一种红外探测器调制传递函数测试方法，特别涉及一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，属于红外光电测试技术领域。

背景技术：

调制传递函数(MTF)是连接红外器件制备和后续整机应用的重要连接参数，其数值大小直接反应了红外器件对空间目标的调制传递性能以及器件成像空间分辨率的高低，是国际标准测量红外器件成像质量的一个重要参数。在红外探测器应用于航空航天领域等重大场合时，MTF参数已经成为一项关键的指标参数，如何精准测量红外器件MTF值成为研究重点。

目前针对线列红外探测器MTF的测试方法主要有小光点法、狭缝法和倾斜刀口法等。上述测试方法多面向标准一字型线列器件和面阵器件的MTF测试，主要对器件中的某个或几个像元进行MTF测试，最终得到线列器件的MTF数值是由单个或几个像元的MTF值进行表示的。由于器件工艺水平的限制，最终的测试数值结果不能够全面表征整体线列红外探测器的MTF值。并且上述测试方法本身操作难度大、测试时间长，故上述测量方法对于非标准品字型结构的线列红外探测器MTF的测量并不适用，而且上述方法的测量结果也存在较大误差。

发明内容：

为了解决上述现有测试方法不适用品字型线列红外探测器MTF测试的问题，本发明提供一种测试速度快、准确率高、适合品字型线列红外探测器调制传递函数测试的方法，该方法采用以下技术方案来实现：

一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，包括如下步骤：

(1)搭建测试系统：靶标轮盘放置在面源黑体前方，黑体对V字型靶标进行辐照成像，成像图像经过平行光管反射平行射出，品字型线列红外探测器封装在杜瓦内，并在杜瓦窗口前安装聚焦红外镜头，将杜瓦以及红外镜头作为整个测试组件放置在三维位移平台上且正对平行光光管出口处；

(2)使用V字型靶标进行红外成像，采集两列像元响应输出曲线，调节三维位移平台对输出曲线进行观察完成调焦；

(3)继续调节三维位移平台并观察输出曲线，直至输出曲线呈现阶跃状时，V字型靶标像的刃边恰好以一定角度横跨过品字型线列红外探测器，保存此刻两列阶跃状线列像元输出值数据；

(4)将步骤(3)中得到的两列像元输出值采用间隔插入方式进行排列组合，形成阶跃扩散函数，再采用三个费米函数对阶跃扩散函数曲线进行拟合；

(5)对步骤(4)中拟合后的阶跃扩散函数曲线中的无效响应像元进行剔除，保留有效响应像元，计算得到有效响应像元个数；

(6)计算V字型靶标刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，并根据倾斜角度及有效响应像元个数计算出频域空间的横坐标采样频率值；

(7)将步骤(4)中拟合后的阶跃扩散函数进行求导得到线性扩散函数，对线性扩散函数采用离散傅里叶变换进行调制传递函数计算，将步骤(6)中得到的横坐标采样频率代入调制传递函数曲线的横坐标中，并以奈奎斯特频率处的调制传递函数值作为品字型线列红外探测器的最终调制传递函数值。

作为上述方案的进一步优化，所述步骤(2)中的调焦方法如下：首先左右调节三维位移平台，观察输出曲线为“几”字型时，V字型靶标成像落在品字型线列红外探测器上；再前后调节三维位移平台，当输出曲线“几”字型的拐角处接近直角时完成调焦工作。

进一步设置，所述步骤(3)中的输出曲线呈现阶跃状的确定方式如下：左右微调移动三维位移平台，观察两列像元“几”字型输出曲线逐渐变大时，说明品字型线列红外探测器在逐渐靠近V字型靶标刃边位置，直至观察输出曲线由“几”字型变为阶跃状停止移动。

进一步设置，所述步骤(4)中对阶跃扩散函数拟合采用如下公式：

上式中的a_i、b_i、c_i、D(i＝1,2,3)为十个常数，a_i表示费米函数幅度，b_i表示费米函数对应X轴上的中心位置，c_i表示费米函数陡度，D表示费米函数对应y轴上的中心位置。

进一步设置，所述步骤(5)中无效响应像元的剔除方法如下：将步骤(4)所得拟合后的阶跃扩散函数的上升处进行直线拟合，直线拟合采用如下公式：

上式中n表示参数拟合曲线上升处像元的个数，x_i为第i个像元值，y_i为第i个线性方程输出值；

令

按照上述公式完成直线拟合后，将远离阶跃直线上升处的像元输出点进行去除。

所述远离阶跃直线上升处的像元被去除后，对剩余像元输出点利用公式5进一步判断是否是有效响应像元：

I_iv＝I_i-I_i-1 (公式5)

上式中，I_i为曲线上升处的像元输出值，I_i-1为曲线上升处的像元输出值与I_i相邻，I_iv为曲线上升处相邻像元的差值；

利用公式5对直线拟合后直线中的数组值两两求取差值，并对所求得的差值数组使用三倍标准差为阈值，当I_iv大于该阈值时则判为无效像元，否则为有效像元，以此计算得到有效响应像元的个数N。

所述步骤(6)中V字型靶标刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度用如下公式计算：

公式6中，D_h为像元宽度；D_v为像元高度；P为像元中心距离；N为有效响应像元个数。

所述步骤(6)中横坐标采样频率值计算方法如下：

其中f_s是系统的采样频率，其值为投影后实际的采样间隔，

f_s＝1/L； (公式8)

L＝P*sinθ； (公式9)

上述公式9中，P为像元中心距离，θ为V字型靶标像刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，N为有效响应像元个数，通过上述计算后得到的最终频域坐标轴的取值分别为0,Δf,2Δf...。

所述步骤(7)中对线性扩散函数采用离散傅里叶变换进行调制传递函数计算公式如下：

其中，x取线性扩散函数曲线的序列值，M是序列中的数值总数，Y是经过离散傅里叶变换后的结果，参数k为傅里叶变换中的第k个离散的采样点。

本发明与现有测试线列红外探测器调制传递函数的技术相比较其优点在于：

(1)本发明针对的是非标准排列的品字型线列碲镉汞红外探测器调制传递函数的测试方法，传统采用单个或几个像元测试结果来表征并不能够全面表征红外探测器件的MTF值，而本发明测试方法可表征整个品字型线列红外探测器件的MTF数值，测试结果表述更加准确。

(2)传统方法采用半月型靶标成像实现刃边像与探测器件像元的定位，这种定位方式对于非标准品字型线列红外探测器就需要较长的时间来定位，势必延长测试时间；而本发明采用适合测试品字型像元的‘V’字型靶标可以通过像元响应输出数据曲线对靶标的刃边像与品字型器件像元相对位置进行快速定位，极大缩减了定位时间，同时也缩减了线列器件的测试时间。

(3)本发明所采用的‘V’字型靶标是基于倾斜靶标测试法，该测试方法只适用于面阵红外探测器调制传递函数的测试，并不适用于线列红外探测器调制传递函数测试；而本发明所提供的测试方法不但适用于标准‘一’字型线列红外器件，还可以对非标准的品字型线列红外器件MTF进行测试。

(4)本发明测试方法在测试过程中，对于由器件载流子横向扩散导致的部分接近刃边像区域的无效像元也有响应输出，利用算法进行了判定及去除，有效提升了器件的测试精准度，具有很强的工程应用意义。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为品字型线列红外探测器MTF测试结构示意图；

图2为本发明测试方法流程图。

具体实施方式：

本实施例的测试结构以及测试方法如图1和图2所示，主要针对一种非标准的品字型线列碲镉汞红外探测器调制传递函数(以下简称MTF)进行测试，首先需要搭建一个用于测试的硬件系统，是将可控温面源黑体放置在成像靶标轮盘之前，调节黑体温度对靶标进行辐照，本实施例中使用的靶标不同于现有技术中的半月型靶标，而是采用V字型靶标1，经过辐照成像的图像被平行光光管内的反射镜平行射出。将品字型线列碲镉汞红外探测器2封装在杜瓦内，并在杜瓦窗口前安装聚焦红外镜头，将整个组件(杜瓦以及红外镜头)放置在一个可移动的三维位移平台上，且正对平行光光管出口处。完成硬件系统的搭建后，按照如下步骤进行MTF测试：

1)对V字型靶标进行调焦：首先通过现有采集软件采集并实时显示两列品字型像元输出曲线，通过调节三维位移平台左右旋钮，实时观察两列品字型像元输出曲线的变化。当输出曲线有明显响应且曲线成“几”字型时，则说明品字型线列红外器件恰好从V字像横穿，再用前后调节旋钮对三维位移平台进行细调，当输出“几”字型曲线的拐角处接近直角时，则此时红外器件恰好落在镜头的焦距上，此时调焦完成。

2)完成调焦后，继续使用左右旋钮进行微调，并同时观察两列像元曲线的输出变化，当两列像元的输出“几”字型曲线逐渐变大时，说明此时线列器件的位置在逐渐接近靶标刃边位置；反之，当“几”字型曲线逐渐变小时，说明线列器件位置正逐渐远离靶标刃边处。因此，调节旋钮观察输出曲线由“几”字型变为阶跃状时，说明此时靶标像刃边区域正好以一定的角度跨过两列线列像元，则实现了准确定位。刃边像横跨过两列像元形成扫描，保存此时两列阶跃状线列像元输出值。

3)将上述两列像元的输出值按照交错插入的方式进行排列组合，形成一组数据，该数组响应曲线即为阶跃扩散函数曲线(以下简称ESF)。但因像元之间存在非均匀性响应的问题，使得像元输出不一致，为提高输出曲线拟合精度，需采用以下三个费米拟合函数公式对像元响应曲线进行拟合。

上式中的a_i、b_i、c_i、D(i＝1,2,3)为十个常数，a_i表示费米函数幅度，b_i表示费米函数对应X轴上的中心位置，c_i表示费米函数陡度，D表示费米函数对应y轴上的中心位置。

4)剔除无效像元：因为线列碲镉汞红外器件存在光生自由载流子的扩散问题，接近刃边处但并未被刃边像所横跨的像元依然会有响应值的输出，这种无效像元的响应值输出会对后续靶标刃边的倾斜角度计算造成误差，并最终影响器件MTF测试的准确性，因此，需要对无效像元进行剔除，再来确定有效像元的个数。

无效像元的剔除需要先对步骤3)中所得阶跃函数上升处进行直线拟合，采用以下公式进行：

令

按照上述公式完成直线拟合后，需要剔除阶跃上升处的无效像元，将远离阶跃直线上升处的像元输出点进行去除，对剩余像元输出点利用以下公式进一步判断是否是有效响应像元。

I_iv＝I_i-I_i-1 (公式5)

上式中，I_i为曲线上升处的像元输出值，I_i-1为曲线上升处的像元输出值与I_i相邻，I_iv为曲线上升处相邻像元的差值；

利用公式5对直线拟合后直线中的数组值两两求取差值，并对所求得的差值数组使用三倍标准差为阈值，当I_iv大于该阈值时则判为无效像元，否则为有效像元，以此计算得到有效响应像元的个数N。

5)计算V字型靶标刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，计算公式如下：

公式6中，D_h为像元宽度；D_v为像元高度；P为像元中心距离；N为有效响应像元个数。

6)计算频域空间的横坐标采样频率值：因为在频率域中横坐标的分辨率是计算线列像元MTF值的关键参数，横坐标采样频率值计算方法如下：

其中f_s是系统的采样频率，其值为投影后实际的采样间隔，

f_s＝1/L； (公式8)

L＝P*sinθ； (公式9)

上述公式9中，P为像元中心距离，θ为V字型靶标像刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，N为有效响应像元个数，通过上述计算后得到的最终频域坐标轴的取值分别为0,Δf,2Δf...。

7)对步骤3)中得到的拟合ESF进行求导可计算得到线性扩散函数(以下简称LSF)，并因为ESF的阶跃处存在上升和下降两种状态，故在LSF求导时采用绝对值表示，公式如下所示：

对上述所得的LSF函数采用离散傅里叶变换进行MTF计算，计算公式为：

其中，x取LSF曲线的序列值，M是序列中的数值总数，Y是经过离散傅里叶变换后的结果，将上述步骤6)中得到的空间采样频率带入最终的频域变换后的横坐标中。对最终计算MTF曲线进行归一化和在坐标轴标注频域横纵坐标，画出最终的MTF曲线图，并将曲线中奈奎斯特频率处的MTF数值用于表征品字型碲镉汞线列红外器件的MTF数值。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (9)

1.一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)搭建测试系统：靶标轮盘放置在面源黑体前方，黑体对V字型靶标进行辐照成像，成像图像经过平行光光管反射平行射出，品字型线列红外探测器封装在杜瓦内，并在杜瓦窗口前安装聚焦红外镜头，将杜瓦以及红外镜头作为整个测试组件放置在三维位移平台上且正对平行光光管出口处；

(2)使用V字型靶标进行红外成像，采集两列像元响应输出曲线，调节三维位移平台对输出曲线进行观察完成调焦；

(3)继续调节三维位移平台并观察输出曲线，直至输出曲线呈现阶跃状时，V字型靶标像的刃边恰好以一定角度横跨过品字型线列红外探测器，完成准确定位,保存此刻两列阶跃状线列像元输出值数据；

(4)将步骤(3)中得到的两列像元输出值采用间隔插入方式进行排列组合，形成阶跃扩散函数，再采用三个费米函数对阶跃扩散函数曲线进行拟合；

(5)对步骤(4)中拟合后的阶跃扩散函数曲线中的无效响应像元进行剔除，保留有效响应像元，得到有效响应像元个数；

(6)计算V字型靶标刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，并根据倾斜角度及有效响应像元个数计算出频域空间的横坐标采样频率值；

(7)将步骤(4)中拟合后的阶跃扩散函数进行求导得到线性扩散函数，对线性扩散函数采用离散傅里叶变换进行调制传递函数计算，将步骤(6)中得到的横坐标采样频率代入调制传递函数曲线的横坐标中，并以奈奎斯特频率处的调制传递函数值作为品字型线列红外探测器的最终调制传递函数值。

2.根据权利要求1所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中的调焦方法如下：首先左右调节三维位移平台，观察输出曲线为“几”字型时，V字型靶标成像落在品字型线列红外探测器上；再前后调节三维位移平台，当输出曲线“几”字型的拐角处接近直角时完成调焦工作。

3.根据权利要求1所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(3)中的输出曲线呈现阶跃状的确定方式如下：左右微调移动三维位移平台，观察两列像元“几”字型输出曲线逐渐变大时，说明品字型线列红外探测器在逐渐靠近V字型靶标刃边位置，直至观察输出曲线由“几”字型变为阶跃状停止移动。

4.根据权利要求1所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(4)中对阶跃扩散函数拟合采用如下公式：

上式中的a_i、b_i、c_i、D(i＝1,2,3)为十个常数，a_i表示费米函数幅度，b_i表示费米函数对应X轴上的中心位置，c_i表示费米函数陡度，D表示费米函数对应y轴上的中心位置。

5.根据权利要求1或4所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(5)中无效响应像元的剔除方法如下：将步骤(4)所得拟合后的阶跃扩散函数的上升处进行直线拟合，直线拟合采用如下公式：

上式中n表示参数拟合曲线上升处像元的个数，x_i为第i个像元值，y_i为第i个线性方程输出值；

令

按照上述公式完成直线拟合后，将远离阶跃直线上升处的像元输出点进行去除。

6.根据权利要求5所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述远离阶跃直线上升处的像元被去除后，对剩余像元输出点利用公式5进一步判断是否是有效响应像元：

I_iv＝I_i-I_i-1 (公式5)

上式中，I_i为曲线上升处的像元输出值，I_i-1为曲线上升处的像元输出值与I_i相邻，I_iv为曲线上升处相邻像元的差值；

利用公式5对直线拟合后直线中的数组值两两求取差值，并对所求得的差值数组使用三倍标准差为阈值，当I_iv大于该阈值时则判为无效像元，否则为有效像元，以此计算得到有效响应像元的个数N。

7.根据权利要求6所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(6)中V字型靶标刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度用如下公式计算：

公式6中，D_h为像元宽度；D_v为像元高度；P为像元中心距离；N为有效响应像元个数。

8.根据权利要求7所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(6)中横坐标采样频率值计算方法如下：

其中f_s是系统的采样频率，其值为投影后实际的采样间隔，

f_s＝1/L； (公式8)

L＝P*sinθ； (公式9)

上述公式9中，P为像元中心距离，θ为V字型靶标像刃边相对于品字型线列像元的倾斜角度，N为有效响应像元个数，通过上述计算后得到的最终频域坐标轴的取值分别为0,Δf,2Δf...。

9.根据权利要求1所述的一种品字型线列红外探测器调制传递函数测试方法，其特征在于：所述步骤(7)中对线性扩散函数采用离散傅里叶变换进行调制传递函数计算公式如下：

其中，x取线性扩散函数曲线的序列值，M是序列中的数值总数，Y是经过离散傅里叶变换后的结果，参数k为傅里叶变换中的第k个离散的采样点。

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